اولین شبکه کوانتومی چند گره‌ای جهان، یک موفقیت و نقطه عطف برای اینترنت کوانتومی

منتشر‌شده در livescience به تاریخ ۳ می ۲۰۲۱
لینک منبع World's 1st multinode quantum network is a breakthrough for the quantum internet

دانشمندان با خلق اولین شبکه کوانتومی چندهه‌ای جهان، یک گام به اینترنت کوانتومی نزدیک‌تر شده‌اند. محققان در مرکز تحقیقات کوتک در هلند، این سیستم را که از سه گره کوانتومی تشکیل شده‌، ایجاد کردند که با قوانین عجیب مکانیک کوانتومی حاکم بر ذرات زیر‌اتمی، درگیر شده‌اند. این اولین بار است که بیش از دو بیت کوانتوم یا \"کیوبیت\" که محاسبات را در محاسبات کوانتومی انجام می‌دهند، به عنوان \"گره\" ها یا نقاط انتهایی شبکه به هم پیوند خورده‌اند.

محققان انتظار دارند که اولین شبکه‌های کوانتومی، بسیاری از برنامه‌های کاربردی محاسباتی را که نمی‌توانند توسط دستگاه‌های کلاسیک موجود-مانند محاسبات سریع‌تر و رمزنگاری بهبود یافته-اجرا شوند، باز کنند.

مطالعه مقاله راه‌اندازی اولین گواهی‌نامه توسعه‌دهنده برای محاسبات کوانتومی توسط IBM توصیه می‌شود.

ماتئو پومپیلی، یکی از اعضای تیم تحقیقاتی کیوتک که شبکه‌ای را در دانشگاه تکنولوژی دلفت هلند ایجاد کرد، گفت: «این کار به ما اجازه می‌دهد تا کامپیوترهای کوانتومی را برای قدرت محاسباتی بیشتر متصل کنیم، شبکه‌های غیرقابل‌پیش‌بینی ایجاد کنیم و ساعت‌های اتمی و تلسکوپ‌ها را با سطوح بی‌سابقه‌ای از هماهنگی به هم متصل کنیم.» او گفت: همچنین برنامه‌های زیادی وجود دارند که ما نمی‌توانیم واقعا آن‌ها را پیش‌بینی کنیم. برای مثال می‌توان الگوریتمی ایجاد کرد که انتخابات را به شیوه‌ای ایمن اجرا کند.

تقریبا به همان روشی که بیت کامپیوتر سنتی واحد اصلی اطلاعات دیجیتال است، کیوبیت واحد اصلی اطلاعات کوانتومی است. مانند بیت، کیوبیت هم می‌تواند ۱ یا ۰ باشد، که نشان‌دهنده دو موقعیت ممکن در یک سیستم دو وضعیتی است.

اما این دقیقا همان جایی است که شباهت‌ها به پایان می‌رسند. به لطف قوانین عجیب و غریب جهان کوانتومی، کیوبیت می‌تواند در یک برهم نهی از هر دو حالت ۱ و ۰ تا لحظه‌ای که اندازه‌گیری می‌شود، وجود داشته باشد، که به طور تصادفی به یک یا صفر سقوط می‌کند. این رفتار عجیب، کلید قدرت محاسبات کوانتومی است، زیرا به یک کیوبیت اجازه می‌دهد تا محاسبات چندگانه را به طور همزمان انجام دهد.

بزرگترین چالش در پیوند دادن این کیوبیت‌ها با یکدیگر به یک شبکه کوانتومی، ایجاد و حفظ روندی به نام درهم تنیدگی یا همان چیزی است که آلبرت انیشتین آن را \"عمل شبح وار در فاصله\" نامید. این زمانی است که دو کیوبیت با هم جفت می‌شوند و خواص آن‌ها را به هم متصل می‌کنند به طوری که هر‌گونه تغییر در یک ذره باعث تغییر در دیگری می‌شود، حتی اگر آن‌ها با فواصل زیاد از هم جدا شوند.

شما می‌توانید گره‌های کوانتومی را به روش‌های زیادی درگیر کنید، اما یک روش معمول این است که ابتدا کیوبیت‌های ثابت (که گره‌های شبکه را تشکیل می‌دهند) را با فوتون‌ها یا ذرات نور درگیر کنید، قبل از اینکه فوتون‌ها را به سمت یکدیگر شلیک کنید. وقتی آنها به هم می‌رسند، دو فوتون نیز در هم می‌پیچند و در نتیجه کیوبیت‌ها را درگیر می‌کنند. این مسئله، دو گره ثابت را که با فاصله از هم جدا شده‌اند، متصل می‌کند. هر تغییری که در یکی از آن‌ها ایجاد شود، با یک تغییر آنی به دیگری منعکس می‌شود.

«اقدام شبح‌وار در فاصله» به دانشمندان اجازه می‌دهد تا وضعیت یک ذره را با تغییر وضعیت شریک گرفتار آن تغییر دهند، و به طور موثر اطلاعات را از طریق شکاف‌های بزرگ انتقال دهند. اما حفظ حالت درهم تنیدگی کاری دشوار است، خصوصاً اینکه سیستم درهم تنیده همیشه در معرض خطر تعامل با دنیای خارج و از بین رفتن با روندی به نام عدم انسجام است.

این بدین معنی است که ابتدا، گره‌های کوانتومی باید در دماهای بسیار سرد در داخل دستگاه‌هایی به نام کرایواستات نگهداری شوند تا احتمال تداخل کیوبیت‌ها با چیزی خارج از سیستم را به حداقل برسانند. دوم، فوتون‌های مورد استفاده در گرفتار شدن نمی‌توانند فواصل طولانی را قبل از جذب یا پخش شدن طی کنند، و سیگنال ارسالی بین دو گره را از بین می‌برند.

مشکل این است که بر‌خلاف شبکه‌های کلاسیک، شما نمی‌توانید سیگنال‌های کوانتومی را تقویت کنید. پومپیلی با اشاره به قضیه «عدم شبیه‌سازی» فیزیک گفت: «اگر سعی کنید از کیوبیت نسخه‌برداری کنید، نسخه اصلی را نابود می‌کنید.» این قضیه بیان می‌کند که ایجاد یک نسخه مشابه از یک وضعیت کوانتومی ناشناخته غیرممکن است. این مسئله واقعا فاصله ارسال سیگنال‌های کوانتومی به ده‌ها هزار کیلومتر را محدود می‌کند. اگر می‌خواهید ارتباط کوانتومی را با کسی در آن سوی جهان برقرار کنید، به گره‌های رله در این بین نیاز دارید.

ممکن است علاقه‌مند به مطالعه مقاله کمپانی Honeywell جزئیات مربوط به چگونگی کارکرد کامپیوتر کوانتومی خود را منتشر کرد ، باشید.

برای حل مسئله، تیم یک شبکه با سه گره ایجاد کرد، که در آن فوتون‌ها در واقع گره خوردن را از یک کیوبیت در یکی از گره‌های بیرونی به دیگری در گره میانی \"منتقل می‌کنند\". گره میانی دو کیوبیت دارد-یکی برای به دست آوردن یک حالت درهم پیچیده و دیگری برای ذخیره آن. هنگامی که گره‌خوردگی بین یک گره خارجی و گره میانی ذخیره شد، گره میانی گره خارجی دیگر را با کیوبیت اضافی خود درگیر می‌کند. با انجام تمام این کارها، گره میانی دو کیوبیت خود را به هم متصل می‌کند و باعث می‌شود که کیوت‌های گره‌های بیرونی درگیر شوند.

اما طراحی این چرخش مکانیکی کوانتومی عجیب بر روی «معمای عبور از رودخانه» کلاسیک، کم‌ترین مشکلات محققان بود-البته که عجیب است، اما ایده‌ خیلی پیچیده‌ای نیست. محققان برای ساختن فوتون‌های درهم پیچیده و تاباندن آنها به گره‌ها به روش صحیح، مجبور به استفاده از سیستم پیچیده‌ای از آینه‌ها و نور لیزر شدند. قسمت دشوار ماجرا، چالش فناوری کاهش نویز مزاحم در سیستم و همچنین اطمینان از این بود که تمام لیزرهای مورد استفاده برای تولید فوتون‌ها کاملاً هماهنگ شده‌اند.

پومپیلی گفت: «ما در مورد داشتن سه‌تا چهار لیزر برای هر گره صحبت می‌کنیم، بنابراین شما شروع به داشتن ۱۰ لیزر و سه کرایواستات می‌کنید که همه آن‌ها باید همزمان کار کنند، همراه با تمام تجهیزات الکترونیکی و همگام‌سازی.

سیستم سه گرهی به ویژه به این دلیل مفید است که کیوبیت حافظه به محققان اجازه می‌دهد تا به جای نیاز مبرم به انجام همه کارها در یک زمان، گره به گره، در شبکه درهم تنیدگی ایجاد کنند. به محض این که این کار انجام شود، می‌توان اطلاعات را در سراسر شبکه به نمایش گذاشت.

برخی از گام‌های بعدی محققان دررابطه با شبکه جدیدشان، تلاش برای تابش این اطلاعات به همراه بهبود اجزای ضروری قابلیت‌های محاسباتی شبکه‌ها می‌باشد، به شکلی که بتوانند مانند شبکه‌های رایانه‌ای منظم کار کنند،. همه این مسائل موجب تنظیم مقیاسی خواهند شد که شبکه کوانتومی جدید می‌تواند به آن برسد.

آنها همچنین می‌خواهند ببینند که آیا سیستم به آنها اجازه می‌دهد تا بین Delft و Hague، دو شهر هلند که تقریباً 6 مایل (10 کیلومتر) از هم فاصله دارند، گره بخورند. پومپیلی گفت: «در حال حاضر، همه گره‌های ما بین ۱۰ تا ۲۰ متر [ ۳۲ تا ۶۶ فوت ] از یکدیگر فاصله دارند.» اگر چیز مفیدی می‌خواهید، باید کیلومترها بروید. این اولین باری است که ما می‌خواهیم ارتباطی بین فواصل طولانی ایجاد کنیم.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.